CAE仿真案例丨多孔材料有效扩散系数有限元分析
案例概括

案例简介:

行业领域:某新能源材料行业,针对其研发的多孔电极材料,开展有效扩散系数的精确计算与传递性能评估。

通过构建具有真实微观孔结构的有限元模型,成功实现了多孔介质内物质扩散行为的量化分析与性能优化。


客户需求:

  • 准确预测多孔电极材料中锂离子的有效扩散系数

  • 分析不同孔结构参数(孔隙率、曲折因子、孔径分布)对扩散性能的影响

  • 为其电极材料设计提供数据支撑与模拟验证


我司解决方案:

  1. 代表性体积元建模
    基于客户提供的SEM图像与孔结构数据,构建包含连通孔道的三维RVE模型。

  2. 扩散控制方程有限元求解
    在COMSOL Multiphysics中建立稳态扩散场,施加浓度边界条件,求解微观浓度分布。

  3. 有效扩散系数提取
    基于体积平均通量与Fick定律,计算得到宏观等效扩散系数 DeffDeff。

  4. 参数化分析与优化建议
    系统分析孔隙率、曲折因子、温度等变量对 DeffDeff 的影响,并提出结构改进方向。


成果与价值:

  • 量化扩散性能:明确了孔隙率 >0.6、曲折因子 <2.0 时,DeffDeff 可提升约 3–5倍

  • 指导材料设计:为客户提出“梯度孔径设计”建议,优化电极中锂离子传输路径

  • 替代实验试错:通过模拟大幅缩短研发周期,降低实验成本 超过40%

  • 提供设计依据:为客户新材料的中试与放大生产提供了可靠的模拟数据支持



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